Una ligera explicación sobre qué se ha presentado hoy en el CERN

Esta explicación salió como un comentario en una discusión iniciada por +Daniela Huguet Taylor en la que se hablaba de la noticia que hoy se hacía pública desde el CERN en la que publicaban el descubrimiento de un nuevo bosón. Se me pidió hacerlo público y no seré yo quien se niegue a intentar esclarece todo lo que pueda algo en lo que puedo aportar aunque sea un poco. Como siempre, soys libres de preguntar lo que queráis. Es un texto grande pero no sabía como resumirlo más y que se entendiese bien más o menos todo.

Primero tengo que hacer un comentario que a todos los físicos de partículas nos choca un poco y que se ha vuelto muy común en el periodismo y es el hecho de llamarlo partícula de Dios. Nosotros no lo llamamos así ni siquiera en un ambiente informal, es algo que solo se usa en el periodismo y que no tiene mucho significado. El bosón de Higgs no tiene nada que ver, ni refuerza ni prohíbe, la existencia de un Dios porque la existencia de este Dios está totalmente fuera del ámbito científico. Ese nombre lleva a muchos malentendidos (aunque en el origen de este término se la comparaba con Dios por dar origen la masa de las partículas) y es poco acertado. Intentemos dejar de llamarlo así porque si no vamos a entrar en un debate que ya he visto que se ha entrado un poco y que no lleva a ningún sitio. Este descubrimiento no tiene más que ver con la religión que cualquier otro avance científico.

No se si lo que voy a decir es muy básico o no pero voy a intentar explicar qué es el Higgs y qué es lo que se ha comunicado hoy. 

En la física de partículas hay una teoría que, hasta hoy, es la que explica el mundo de las partículas elementale. Esta teoría se llama Modelo Estándar, el cual, basándose en unas pocas simetrías, ha conseguido poder explicar las interacciones entre partículas elementales. No solo eso sino que ha conseguido obtener los valores teóricos más precisos en física teniendo un acuerdo con medidas experimentales de hasta 13 cifras decimales. Además, el Modelo Estándar ha predicho la existencia no solo del bosón de Higgs sino de otras partículas siendo el quark top la última en ser descubierta en 1995, predicho más de quince años antes por el Modelo Estándar. 

El Modelo Estándar, sin embargo, tenía un problema: que no era capaz de dar masa a las partículas. Para esta teoría todas las partículas eran partículas sin masa. Ahí entró en escena, entre otros, Peter Higgs que propusieron lo que se conoce como el mecanismo de Higgs y que fue incorporado al Modelo Estándar. Con este mecanismo todas las partículas podían tener masa; todas salvo las que se sabía que no deberían tener. Esto es lo que hacía tan potente este mecanismo que, jugando con las simetrías del Modelo Estándar, conseguía que un electrón pudiese tener masa pero un fotón no. La única pieza que faltaba en este puzzle era el bosón de Higgs. Este bosón, mejor dicho, la interacción de las partículas con este bosón dan origen a la masa de las partículas.

Ahora que sabemos qué es voy a intentar explicar cómo se pueden descubrir partículas nuevas. Hay partículas estables e inestables, es decir, que no se desintegran y que sí lo hacen. El bosón de Higgs, así como casi todas las partículas pesadas, se desintegra. Esto quiere decir que si son producidas no podemos verlas en el detector porque antes de ser detectadas desaparecen. Sin embargo no quiere decir que no se pueda saber si estaban ahí o no. Dado el principio de conservación de la energía sabemos que la energía antes de un proceso y después debe ser la misma. Esta se puede transformar en forma de calor, masa, velocidad... pero tiene que haber la misma. Vamos a suponer que tenemos una partícula parada. La única energía que tiene es su masa, y ahora esta partícula decae, es decir, se desintegra en otras dos partículas. Si medimos la energía de estas dos partículas debemos de encontrar la energía que tenía la partícula madre estando en reposo: su masa. Así es como se buscan: se hace un espectro de masas de las partículas que vemo, es decir, contamos cuántas partículas hay con una masa de una supuesta partícula madre de un cierto valor y se hace un histograma. Para valores de la masa donde se encuentra una partícula este histograma tendrá un pico porque hay una acumulación de ventos en esa zona. 

Por la teoría sabemos a qué partículas debe decaer el bosón de Higgs si existiese, por ejemplo 2 fotones o cuatro electrones. Se buscan estas partículas y se calcula cuál sería la masa de una partícula que ha decaído a ellas en el caso de que así fuera. Si hay una partícula de la cual provienen tendremos un pico en el histograma. Lo que se ha visto hoy es un exceso en este histograma, o sea un pico por encima de lo que se esperaría si no existiese esa nueva partícula, lo que muestra que hay algo nuevo a partir de lo cual están apareciendo las partículas que se buscan.

Y cómo sabemos si de verdad es algo nuevo y no una fluctuación estadística? O cómo sabemos si eso es el bosón de Higgs o no? 

Para responder a la primera pregunta me gustaría comentar qué es una fluctuación estadística. Imaginamos que tiramos una moneda al aire. La probabilidad de que salga cara o cruz es un 50% para cada una. Si tiramos la moneda al aire diez veces, esperamos tener cinco caras y cinco cruces? La respuesta es que no. Esto es porque hay fluctuaciones estadísticas que hacen que la probabilidad no sea exactamentee la calculada cuando se hace la experiencia un número finito de veces: a veces tendremos más caras que cruces y a veces será al contrario.
Para asegurarnos que no es una fluctuación estadística se pide que los resultado esté alejados cinco sigmas (desviaciones) del valor esperado, o mejor dicho, de la media que esperamos obtener. Cuando tienes una distribución estadística, una sigma es la desviación que puedes tener de la media para tener un 68% de tus sucesos dentro de esa desviación. A medida que vas aumentando esta distancia a dos o tres sigmas llegas a un espacio en el que se agrupan el 95% y el 99.7% de tus sucesos respectivamente. Esto quiere decir que si tienes un suceso que se encuentra a una distancia de 3 sigmas es muy poco probable que pertenezca a esta distribución, sólo un 0.3% de posibilidades y por tanto es probable que sea de otro distribución diferente que no estás teniendo en cuenta. En el argot de la física de partículas, a los sucesos que se desvían de lo esperado menos de tres sigmas se les dice "estándar", se consideran fluctuaciones estadísticas, algo que puede desaparecer si aumentamos el número de veces que realizamos el experimento. Por encima de tres sigmas es "evidencia" porque se supone que ya es suficientemente poco probable tener algo ahí pero aún no se puede asegurar. A partir de cinco sigmas se llama "descubrimiento". Si tienes sucesos desviados cinco sigmas de lo que esperas tienes una probabilidad por debajo de 0.0000001% de que pertenezca a tu distribución y por tanto has descubierto algo nuevo. El anuncio del descubrimiento de hoy era a cinco sigmas cada experimento teniendo en cuenta varios canales, por tanto se puede decir con una probabilidad de error menor de 0.0000001% que dos experimentos por separado han descubierto un bosón nuevo con una masa dada por la posición del pico que muestran los histogramas.

Ahora, cómo sabemos si es el Higgs de verdad? Con esto solo podemos decir que hemos descubierto un bosón nuevo, con una masa dada y que se comporta como esperaríamos que se comportaría el bosón de Higgs. Viendo lo conservadores que somos eligiendo la probabilidad de error mínima que exigimos para decir que hemos descubierto algo nuevo no es de extrañar que también lo seamos diciendo si es el bosón de Higgs o no es por esto que en ningún sitio oficial, sólo en los medios, veréis decir que se ha descubierto el bosón de Higgs, si no que se ha descubierto un bosón compatible con el Higgs. Para saber si es el bosón de Higgs u otro tipo de bosones con el mismo efecto (dar masa a las partículas), o no, propuestos por teorías diferentes al Modelo Estándar es necesario buscar otras características que lo diferencien del resto de candidatos. Lo primero que es necesario es saber dónde buscar y ya sabemos donde, sabemos la región de masa donde tenemos que buscar. Ahora queda buscar otras características que es lo que se debe hacer a partir de ahora y para lo que se necesitan más datos. Imaginaos que estáis buscando a una persona y os dicen que la busquéis en un banco de un parque, que es una persona alta y con bastón. Bien, ya sabemos dónde mirar. Pero llegas allí y ves a la persona de espaldas. parece alta y tiene un bastón en la mano. No vas y la saludas porque puedes equivocarte, puede ser cualquier otra con esas características, es normal acercarse a comprobar que no te equivocas mirándole a la cara: que tiene sus ojos, que tiene o no bigote, el color del pelo es el que esperas... Lo que hoy se ha presentado es: "por fin sabemos dónde buscar, en aquel banco del parque. Sabemos que esa persona es igual que la que esperábamos, alta y con bastón". Lo que queda ahora es acercarse y comprobar si también tiene la cara que esperábamos o solo es alguien que cumplen los requisitos mínimos. 
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